Gravure par DRIE

Une partie importante du travail de cette thèse a été consacrée à l‟élaboration de structures MIM en 3D où le dépôt des couches est réalisé sur un substrat présentant des trous caractérisés par leur rapport d‟aspect, largeur sur profondeur. L‟objectif de cette étude est d‟augmenter la densité de la capacité par unité de surface pour répondre aux contraintes de miniaturisation des composants avancés de type DRAM. Le procédé de gravure ionique réactive profonde du silicium ou DRIE (Deep Reactive Ion Etching) est couramment utilisé pour réaliser des motifs 3D à fort rapport d‟aspect. C‟est une méthode de gravure par plasma utilisée pour graver très profondément le silicium principalement utilisée pour les applications dans le domaine des systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Au cours de ce travail de thèse, nous avons utilisé ce procédé dont on décrira ici le principe général.

II.1.

Principe de la gravure DRIE

Le procédé DRIE est basé sur l‟utilisation de deux sources plasma afin de contrôler indépendamment la densité des radicaux et l‟énergie des ions du plasma, deux espèces chimiques intervenant dans le procédé de gravure. Une première source plasma à couplage inductif, ICP (Induced Coupled Plasma), a pour rôle de créer une densité élevée de radicaux et d‟ions dans la phase gazeuse. Une deuxième source plasma à couplage capacitif, CCP (Capacitive Coupled Plasma), a pour rôle de contrôler l‟énergie des ions créés par la source ICP et qui se dirigent vers la surface du substrat à graver. Ainsi, cette configuration en deux sources assure un contrôle précis de la vitesse de gravure qui peut atteindre des vitesses maximales de l‟ordre de 30 µm/min.

Dans un équipement DRIE, deux procédés différents sont utilisés: le procédé cryogénique et le procédé Bosch. Le procédé cryogénique est utilisé à basse température (-100°C) en injectant simultanément les deux gaz de gravure et de passivation. Le procédé Bosch utilisé à température ambiante emploie une alternance des étapes de passivation et de gravure. Le procédé utilisé dans cette thèse est le procédé Bosch [7, 8].

Chapitre 2 : Méthode Expérimentale : Techniques d’élaboration et de caractérisation

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II.1.1. Procédé Bosch

Le procédé Bosch est basé sur l‟alternance des étapes de gravure du silicium par l‟Hexafluorure de soufre (SF6) et de passivation de la surface par l‟Octafluorocyclobutane (C4F8) [9]. La figure 2.5

présente les séquences principales du processus Bosch. Après l‟étape de photolithographie pour masquer les zones à ne pas graver, une première étape de gravure isotrope rapide (quelques secondes) est mise en place au cours de laquelle le silicium est gravé avec un plasma SF6 riche en radicaux de

fluor et en ions . La gravure du silicium est obtenue selon la réaction (2.1) suivante :

(2.1)

L‟étape de gravure est suivie par une étape de passivation par un plasma de C4F8 riche en

radicaux , pour déposer une couche de protection CxFy sur les flancs et le fond des motifs. Une

adaptation du paramètre de temps de passivation est importante pour obtenir une couche de passivation avec une épaisseur fine et qui sera gravée par la suite. Au début de la deuxième étape de gravure, seule la couche de passivation en fond du motif est gravée par le bombardement ionique( ), rendant possible la gravure de fond du motif par les radicaux F*

. De même, une adaptation des conditions de gravure est nécessaire pour ne pas graver latéralement le silicium. Cette répétition des étapes gravure passivation permet d‟obtenir des profils droits et profonds.

Il est important de noter que l'alternance des étapes de gravure et de passivation produit une rugosité importante sur les flancs, (scaloping) comme on peut le constater sur l‟image MEB de la figure 2.5.

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II.2. Paramètres expérimentaux influençant la gravure

Une gravure ionique réactive est basée sur l‟utilisation d‟un ensemble des paramètres qui déterminent ses caractéristiques en terme de vitesse de gravure, de sélectivité, d‟anisotropie et de rugosité des surfaces gravées. Dans un réacteur DRIE, six paramètres principaux sont à ajuster pour réaliser une gravure [10].

1) la pression dans la chambre de gravure : La pression contrôle la densité des radicaux et l‟énergie des ions. La densité des radicaux augmente avec la pression, alors que le libre parcours moyen des ions est inversement proportionnel à la pression.

2) la température du substrat : Une augmentation de la température conduit à une augmentation de la vitesse de gravure mais aussi du caractère isotrope de la gravure.

3) la puissance de la source capacitive CCP : une différence de potentiel, dite « bias » est créée spontanément entre la surface du substrat et le volume du plasma à cause de la différence de mobilité entre électrons et ions du plasma. Cette différence de potentiel permet d‟accélérer les ions vers le substrat et donc de contrôler l‟énergie avec laquelle ils vont percuter ce dernier. La modification de polarisation électrique par la puissance de la source CCP permet de contrôler l‟amplitude de l‟énergie des ions.

4) la puissance de la source inductive ICP : cette puissance contrôle la densité des radicaux dans le plasma, ce qui va influencer la vitesse de gravure. Une grande densité de radicaux entraine l‟augmentation de l‟isotropie de la gravure.

5) le flux SF6 dans le cas d‟une chimie de gravure « fluorée »: C‟est le gaz qui génère les ions et

les radicaux fluors à l‟origine de la gravure du substrat. L‟augmentation de ce flux va générer plus de radicaux et donc renforcer la composante chimique de la gravure, ce qui augmentera l‟isotropie. L‟augmentation du flux des ions va quant à elle renforcer la gravure de la couche de passivation principalement en fond de tranchées.

6) les flux O2 et C4F8 : ce mélange de gaz est utilisé pour passiver les flancs gravés en déposant une

couche de SiOxFy sur la surface gravée du silicium. Une adaptation du flux d‟O2 ou du C4F8 compte

tenu du flux du SF6 est nécessaire pour ne pas créer une couche de passivation épaisse qui rendrait la

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II.3. Equipement de gravure ionique réactive

Figure 2.6. Schéma représentatif d’un équipement de gravure ionique réactive profonde, DRIE [7] L‟équipement de gravure DRIE utilisé dans cette thèse est de marque STS HRM. Le contrôle de la machine se fait intégralement par l‟interface PC. Les gaz disponibles sont l‟argon, l‟oxygène, le SF6 et

le C4F8.

Cette machine possède 3 sources RF représentées dans le schéma de la figure 2.6: - une source RF « Coil » (ICP) à 13,56 MHz pour créer le plasma à haute densité,

- deux sources RF « Platen » (CCP) à 13,56 MHz et 380 kHz dont le rôle est de contrôler l‟énergie des ions se dirigeant vers la surface du substrat.

Le refroidissement du substrat s‟effectue par la face arrière de ce dernier grâce à un flux d‟hélium contrôlé en température et en pression. La machine est dotée d‟un sas d‟introduction, et le transfert d‟échantillons s‟effectue via un bras robotisé.